3.4 光谱分析在科学技术中的应用
[学习目标]1.了解各种光谱及其特点.2.知道光谱分析及其重要应用．
一、光谱
[导学探究] 根据经典的电磁理论，原子的光谱是怎样的？而实际看到的原子的光谱是怎样的？
答案 根据经典电磁理论，原子可以辐射各种频率的光，即原子光谱应该是连续的，而实际上看到的原子的光谱总是分立的线状谱．
[知识梳理]
1．定义：
用光栅或棱镜把光按波长展开，获得光的波长(频率)成分和强度分布的记录，即光谱．
按形成条件，将光谱分为发射光谱和吸收光谱．
2．发射光谱：物体发光直接产生的光谱
(1)连续谱．
连续分布的包含有一切波长的光组成的光谱．
①产生：炽热的固体、液体和高压气体的光谱，如白炽灯丝、烛焰、炽热钢水等发出的光都是连续光谱．
②特点：光谱是连在一起的光带．
(2)线状谱．
由一些不连续的亮线组成的光谱．
①产生：由游离态的原子发射的，因此也叫原子光谱．稀薄气体和金属的蒸气的发射光谱是线状谱．
②特点：不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素的原子产生的线状谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可用其线状谱加以鉴别．
(3)特征光谱
每种元素的原子都有各自的发射光谱，即由一系列不连续的具有特定波长的谱线组成的光谱．
3．吸收光谱
物体发出的白光，通过温度较低的物质蒸气时，某些波长的光被该物质吸收后形成的光谱．
(1)产生：物体发出的白光通过温度较低的物质蒸气时产生的．
(2)特点：在连续谱的背景上有若干条暗线．同种元素的吸收光谱与线状谱是一一对应的．
(3)太阳光谱是吸收光谱
①特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线．
②产生原因：阳光中含有各种颜色的光，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达地球上的这些谱线看起来就暗了，这就形成了连续谱明亮背景下的暗线．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱．( × )
(2)不同原子的发光频率是不一样的．( √ )
(3)连续谱一定是发射光谱( √ )
二、光谱分析
[导学探究] 为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开？我们记录光谱有什么样的意义？
答案 不同颜色的光在棱镜中的折射率不同，因此经过棱镜后的偏折程度也不同．
光谱分析的意义：①应用光谱分析发现新元素，光谱分析对鉴别化学元素有着重大的意义，许多化学元素，如铯、铷、铊、铟、镓等，都是在实验室里通过光谱分析发现的．②天文学家将光谱分析应用于恒星，证明了宇宙中物质构成的统一性．③光谱分析还为深入研究原子世界奠定了基础，近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的．
[知识梳理]
1．光谱分析
由于每种元素都有自己的特征光谱，可以根据光谱来鉴别物质和确定它们的化学组成，这种方法叫光谱分析．
2．优点：灵敏、迅速，某种元素在样品中的含量只要有1×10－10g就能检测出来．
3．应用
(1)鉴定产品的纯度(如检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求)．
(2)发现新元素(如元素铷和铯)．
(3)研究天体的物质成分(如研究太阳光谱时发现了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、钙、钠等元素)．
(4)鉴定食品的优劣．
(5)鉴定文物．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)光谱分析时，既可以用线状谱，也可以用连续谱．( × )
(2)利用光谱分析可以鉴别物质和确定物质的组成成分．( √ )
一、光谱
例1 关于光谱，下列说法正确的是( )
A．一切光源发出的光谱都是连续谱
B．一切光源发出的光谱都是线状谱
C．稀薄气体发光形成的光谱是线状谱
D．白光通过钠蒸气产生的光谱是线状谱
答案 C
解析 由于物质发光的条件不同，得到的光谱不同，故A、B错误；稀薄气体发光形成的光谱为线状谱，C正确；白光通过钠蒸气产生的光谱是吸收光谱，D错误．
二、光谱分析
1．优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10g.
2．应用：a.发现新元素；b.鉴别物体的物质成分．
3．用于光谱分析的光谱：线状谱和吸收光谱．
4．几种光谱的比较
比较
光谱
产生条件
光谱形式及应用
线状谱
稀薄气体发光形成的光谱
一些不连续的亮线组成，不同元素的明线光谱不同(又叫特征光谱)，可用于光谱分析
连续谱
炽热的固体、液体和高压气体发光形成的光谱
连续分布，一切波长的光都有
吸收光谱
炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的光谱
用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线(与特征谱线相应)，可用于光谱分析
例2 (多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是( )
A．太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B．煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C．进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续光谱
D．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
答案 BC
解析 太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续谱，选项A错误；月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分，选项D错误；用于光谱分析只能是线状谱或吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析的，所以选项C正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱，选项B正确．
1．(光谱的理解)(多选)关于光谱，下列说法中正确的是( )
A．炽热的液体发射连续谱
B．线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析
C．太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素
D．发射光谱一定是连续谱
答案 AB
解析 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱，故A正确；线状谱和吸收光谱都可以用来进行光谱分析，B正确；太阳光谱中的暗线说明太阳大气中含有与这些暗线相对应的元素，C错误；发射光谱有连续谱和线状谱，D错误．
2．(光谱的理解)(多选)下列光谱中属于原子光谱的是( )
A．太阳光谱
B．放电管中稀薄汞蒸气产生的光谱
C．白炽灯的光谱
D．酒精灯中燃烧的钠蒸气所产生的光谱
答案 BD
解析 放电管中稀薄汞蒸气产生的光谱，燃烧的钠蒸气产生的光谱分别是由汞蒸气、钠蒸气发光产生的，均是原子光谱，故选项B、D对．
3．(光谱分析)(多选)关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是( )
A．太阳光谱和白炽灯光谱都是连续谱
B．霓虹灯产生的是线状谱
C．进行光谱分析时，只能用线状谱
D．同一元素吸收光谱的暗线与线状谱的位置是一一对应的
答案 BD
4．(光谱分析)太阳光的光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于( )
A．太阳表面大气层中缺少相应的元素
B．太阳内部缺少相应的元素
C．太阳表面大气层中存在着相应的元素
D．太阳内部存在着相应的元素
答案 C
解析 吸收光谱的暗线是连续谱中某些波长的光被物质吸收后产生的．阳光中含有各种颜色的光，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳的高层大气含有的元素
会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去．易错原因是不理解光谱的成因以及不同谱线的特点．
一、选择题
考点一 光谱的理解
1．白炽灯发光产生的光谱是( )
A．连续谱 B．明线光谱
C．原子光谱 D．吸收光谱
答案 A
解析 白炽灯发光是由于灯丝在炽热状态下发出的光，是连续谱．
2．对于光谱，下列说法中正确的是( )
A．大量原子发出的光谱是连续谱，少量原子发出的光谱是线状谱
B．线状谱由不连续的若干波长的光所组成
C．太阳光谱是连续谱
D．太阳光谱是线状谱
答案 B
3．关于原子光谱，下列说法中不正确的是( )
A．原子光谱是不连续的
B．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的
C．由于各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素
答案 B
解析 原子光谱为线状谱，A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故B错，C对；根据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，D正确．
4．下列关于光谱的说法正确的是( )
A．炽热固体、液体和高压气体发出的光形成连续谱
B．对月光作光谱分析可以确定月亮的化学组成
C．气体发出的光只能产生线状谱
D．甲物质发出的光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱
答案 A
5．在燃烧的酒精灯芯上放一些食盐，然后用弧光灯发出的白光照射，就能得到( )
A．钠的线状谱 B．钠的吸收光谱
C．钠的连续谱 D．仍是白光连续谱
答案 B
解析 钠被酒精灯加热汽化，形成钠蒸气，弧光灯发出的白光通过钠蒸气，某些波长的光被吸收形成钠的吸收光谱，B项正确．
考点二 光谱分析
6．利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，下列说法正确的是( )
A．利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分
B．利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分
C．高温物体发出的光通过物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D．同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线由于光谱的不同，它们没有关系
答案 B
7．如图1甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为( )
图1
A．a元素 B．b元素
C．c元素 D．d元素
答案 B
解析 把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b元素的谱线在该线状谱中不存在，故选项B正确．与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素．
8．(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是( )
A．连续谱就是由连续发光的物体产生的光谱，线状谱是线状光源产生的光谱
B．通过对连续谱的光谱分析，可鉴定物质成分
C．连续谱包括一切波长的光，线状谱只包括某些特定波长的光
D．通过对线状谱的明线光谱分析或吸收光谱的暗线分析，可鉴定物质成分
答案 CD
解析 连续谱是指光谱由连续分布的一切波长的光组成的，而不是指光源是连续的．连续谱是由炽热固体、液体及高压气体发光产生的，同理线状谱是指光谱是由一些不连续的亮线组成的，由稀薄气体或金属蒸气所发出的光产生的，而不是指光源是线状的，A错，C对；光谱分析是根据不同原子都有自己的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分的方法，连续谱含有一切波长的光，不是原子的特征谱线，不能用来进行光谱分析，而线状谱和吸收光谱都是原子自身的特征谱线，所以可以用来进行光谱分析，鉴定物质成分，其优点是灵敏度很高，在发现和鉴定元素上有着重大的意义，B错，D对．
9．(多选)关于太阳的光谱，下列说法正确的是( )
A．太阳光谱是吸收光谱
B．太阳光谱中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的
C．根据太阳光谱中的暗线，可以分析太阳的物质组成
D．根据太阳光谱中的暗线，可以分析地球大气层中含有哪些元素
答案 AB
解析 太阳是高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，某些特定频率的光会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收，从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱，因此，选项A、B正确．分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，由于地球大气层的温度很低，太阳光通过地球大气层时不会被大气层中的物质原子吸收，故选项C、D错误．
二、非选择题
10．(光谱分析)处在激发态的氢原子向能量较低的能级跃迁时会发出一系列不同频率的光，称为氢光谱．氢光谱线的波长λ可以用下面的巴耳末—里德伯公式表示＝R，k、n分别表示氢原子跃迁后所处状态的量子数，k＝1,2,3，….对每一个k，有n＝k＋1，k＋2，k＋3，…，R称为里德伯常量，是一个已知量．对于k＝1的一系列谱
线其波长处在紫外光区，称为莱曼系；k＝2的一系列谱线其波长处在可见光区，称为巴耳末系．用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验，当用巴耳末系波长最短的光照射时，遏止电压的大小为U1，当用莱曼系波长最长的光照射时，遏止电压的大小为U2，已知电子电荷量的大小为e，真空中的光速为c，试求普朗克常量和该种金属的逸出功．
答案
解析 设该种金属的逸出功为W，光电效应所产生的光电子最大初动能为Ekm
由动能定理知Ekm＝eU
对于莱曼系，当n＝2时对应的光波长最长，
设为λ1
由题中所给公式有＝R＝R
波长为λ1的光对应的频率ν1＝＝Rc
对于巴耳末系，当n→∞时对应的光波长最短，设为λ2，
则有＝R＝R
波长λ2的光对应的频率ν2＝＝Rc
根据爱因斯坦的光电效应方程Ekm＝hν－W知Ekm1＝hν1－W，Ekm2＝hν2－W
又Ekm1＝eU1，Ekm2＝eU2
解得h＝，W＝.
课件24张PPT。
学业分层测评知识点一知识点二
发 射 光 谱 和 吸 收 光 谱直接产生 包含一切波长 连续 不连续的亮线 线状 发射光谱 特定波长 较低的物质蒸气 吸收 暗线 明线 光 谱 分 析 的 应 用特征 鉴别和确定 化学 光谱 新元素 物质成分 优劣
